【YOLOv10改进- -卷积Conv】动态蛇形卷积（Dynamic Snake Convolution）用于管状结构分割任务

YOLOv10目标检测创新改进与实战案例专栏

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介绍

摘要

精确分割拓扑管状结构，例如血管和道路，对各个领域至关重要，可确保下游任务的准确性和效率。然而，许多因素使任务变得复杂，包括细小脆弱的局部结构和复杂多变的全局形态。

在这项工作中，我们注意到管状结构的特殊特征，并利用这一知识来引导我们的 DSCNet 在三个阶段同时增强感知：特征提取、特征融合和损失约束。首先，我们提出了一种动态蛇形卷积，通过自适应地聚焦于细长和曲折的局部结构，来准确捕捉管状结构的特征。随后，我们提出了一种多视角特征融合策略，在特征融合期间从多个角度补充对特征的关注，确保从不同全局形态中保留重要信息。

最后，提出新的基于持续同调的连续性约束损失函数，以更好地约束分割的拓扑连续性。我们的方法在 2D 和 3D 数据集上均有实验证明，与经典的几种方法相比，我们的 DSCNet 在管状结构分割任务上提供了更好的准确性和连续性。

创新点

“动态蛇形卷积”（Dynamic Snake Convolution）的创新点主要体现在以下几个方面：

1. 管状结构感知的动态卷积核：DSConv通过自适应地聚焦于管状结构的细小且弯曲的局部特征，增强对几何结构的感知。这种方法与传统的可变形卷积不同，后者允许网络完全自由学习几何变化，可能导致感知区域漫游，尤其在处理细小的管状结构时。DSConv特别考虑到管状结构的蛇形形态，并通过约束补充自由学习过程，从而更加有针对性地增强对管状结构的感知。

2. 多视角特征融合策略：面对复杂多变的全局形态的挑战，DSConv采用了一种多视角特征融合策略。在这个策略中，基于DSConv生成的多个形态学核模板从不同角度观察目标的结构特征，并通过总结关键特征实现高效的特征融合。

3. 基于持久同调的拓扑连续性约束损失函数：为了解决管状结构分割中常见的断裂问题，引入了基于持久同调（Persistent Homology, PH）的拓扑连续性约束损失函数（TCLoss）。PH响应了拓扑特征从出现到消失的过程，能从高维数据中获取充分的拓扑信息。TCLoss将PH与点集相似性结合，引导网络专注于具有异常像素/体素分布的断裂区域，从而从拓扑角度实现连续性约束。

这些创新点共同使得动态蛇形卷积在处理管状结构（如血管、道路等）的分割任务时，相比传统方法，能够提供更高的准确性和连续性，尤其在处理细小和复杂的管状结构时表现出色。

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